浅谈用Go构建不可变的数据结构的方法

本篇文章主要是结合我之前面试的各种经历和实战开发中遇到的问题解决经验整理的，希望这篇《浅谈用Go构建不可变的数据结构的方法》对你有很大帮助！欢迎收藏，分享给更多的需要的朋友学习~

共享状态是比较容易理解和使用的，但是可能产生隐晦以至于很难追踪的 bugs。尤其是在我们的数据结构只有部分是通过引用传递的。切片就是这么一个很好的例子。后续我会作出更加详细的讲解。

在处理经过多级变换或状态的数据时，不可变数据结构是非常有用的。不可变仅意味着原始结构是不可以被改变的，而每一个新的结构副本都是以新的属性值创建。

让我们看个简单的例子：

type Person struct {
  Name      string
  FavoriteColors []string
}

显然，我们可以实例化一个Person然后随心所欲地更改它的属性。事实上，这样做并没有任何错。但是，当你处理更加复杂的、传递引用和切片的嵌套式数据结构，或者利用通道传递副本时，以某些姿势更改这些共享的数据副本可能会导致不易察觉的 bugs。

为啥我之前就没有遇到过这种问题呢？

如果没有重度使用 channel 或代码基本是串行执行的，由于从定义上讲每次只有一个操作能够作用在数据上，你不大可能会遇见这些不明显的 bugs。

再者，除了避免 bugs外，不可变数据结构还有其他优势：

1. 由于状态绝不会原地更新，这对一般的调试和记录每个变换步骤以用于后续监控是非常有用的
2. 撤销或“时光倒流”的能力不仅是可能的，而且是小菜一碟，只需一个赋值操作即可
3. 由于正确且安全的实现需要损失性能和费尽心思地仔细设置/测试内存锁，共享状态被广泛认为是糟糕的做法

Getter 和 Wither

Getter 返回数据，setter 改变数据，wither 创建新状态。

基于 getter 和 wither，我们可以精准控制能被改变的属性。这也为我们提供了一种记录变换的有效方式（后续）。

新的代码如下：

type Person struct {
  name      string
  favoriteColors []string
}

func (p Person) WithName(name string) Person {
  p.name = name
  return p
}

func (p Person) Name() string {
  return p.name
}

func (p Person) WithFavoriteColors(favoriteColors []string) Person {
  p.favoriteColors = favoriteColors
  return p
}

func (p Person) FavoriteColors() []string {
  return p.favoriteColors
}

需要注意的关键点如下：

1. Person 的属性都是私有的，因此外部包无法绕过 Person 提供的方法来访问其属性
2. Person 的方法接收的不是 *Person。这就保证了结构通过值传递，返回的也是值
3. 注意一下：我用了“With”而不是“Set”来表明重要的是返回值且原始对象并没有像调用 setter 那样被更改
4. 对同一个包下的代码来说，所有属性依然是可访问（也就可更改）的。我们绝不应该直接和属性交互，而是在同一个包下也应一直坚持使用方法
5. 每个 wither 返回的都是 Person，所以他们是可串联的

 me := Person{}.
   WithName("Elliot").
   WithFavoriteColors([]string{"black", "blue"})

 fmt.Printf("%+#v\n", me)
 // main.Person{name:"Elliot", favoriteColors:[]string{"black", "blue"}}

处理切片

目前为止仍然不是完美的，因为对于最爱颜色我们返回的是切片。由于切片通过引用传递，我们来看看这么一个稍不留神就会忽略的 bug：

func updateFavoriteColors(p Person) Person {
  colors := p.FavoriteColors()
  colors[0] = "red"

  return p
}

func main() {
  me := Person{}.
    WithName("Elliot").
    WithFavoriteColors([]string{"black", "blue"})

  me2 := updateFavoriteColors(me)

  fmt.Printf("%+#v\n", me)
  fmt.Printf("%+#v\n", me2)
}

// main.Person{name:"Elliot", favoriteColors:[]string{"red", "blue"}}
// main.Person{name:"Elliot", favoriteColors:[]string{"red", "blue"}}

我们想要改变第一种颜色，但是连带地改变了 me 变量。因为在复杂应用程序中这不会导致代码无法运行，试图搜寻出这么个变化是相当烦人和耗时的。

解决方法之一是确保我们绝不通过索引赋值，而是永远都是分配一个新的切片：

func updateFavoriteColors(p Person) Person {
  return p.WithFavoriteColors(append([]string{"red"}, p.FavoriteColors()[1:]...))
}

// main.Person{name:"Elliot", favoriteColors:[]string{"black", "blue"}}
// main.Person{name:"Elliot", favoriteColors:[]string{"red", "blue"}}

在我看来，这有点拙而且容易出错。更好的方式是一开始就不返回切片。拓展我们的 getter 和 wither 来仅对元素操作（而不是整个切片）：

func (p Person) NumFavoriteColors() int {
  return len(p.favoriteColors)
}

func (p Person) FavoriteColorAt(i int) string {
  return p.favoriteColors[i]
}

func (p Person) WithFavoriteColorAt(i int, favoriteColor string) Person {
  p.favoriteColors = append(p.favoriteColors[:i],
    append([]string{favoriteColor}, p.favoriteColors[i+1:]...)...)


  return p
}

译者注：上述代码是错误的，如果p.favoriteColors的容量大于i则会就地改变副本的favoriteColors，参见反例，稍作调整即可得到正确实现

现在我们就可以放心使用：

func updateFavoriteColors(p Person) Person {
  return p.WithFavoriteColorAt(0, "red")
}

想要了解更多切片的妙用参见这篇牛逼的wiki：https://github.com/golang/go/wiki/SliceTricks

构造函数

某些情况下，我们会假设结构体的默认值是合理的。但是，强烈建议总是创建构造函数，一旦将来需要改变默认值时，我们只需要改动一个地方：

func NewPerson() Person {
  return Person{}
}

你可以随心所欲地实例化 Person，但个人偏爱总是通过 setter 来执行状态变换从而保持代码一致性：

func NewPerson() Person {
  return Person{}.
    WithName("No Name")
}

接口 (Interface)

到现在为止，我们使用的还是公有的结构体。任由这些结构体方法摆布之下，加上创建 mock 可能会引发非预期的副作用，测试起来会很痛苦。

我们可以创建一个同名的接口，并把相应的结构体重命名为 person 使之私有化：

type Person interface {
  WithName(name string) Person
  Name() string
  WithFavoriteColors(favoriteColors []string) Person
  NumFavoriteColors() int
  FavoriteColorAt(i int) string
  WithFavoriteColorAt(i int, favoriteColor string) Person
}

type person struct {
  name      string
  favoriteColors []string
}

我们现在就可以只重写想要替换的逻辑来创建测试 mock：

type personMock struct {
  Person
  receivedNewColor string
}

func (m personMock) WithFavoriteColorAt(i int, favoriteColor string) Person {
  m.receivedNewColor = favoriteColor
  return m
}

测试代码样例如下：

mock := personMock{}
result := updateFavoriteColors(mock)

result.(personMock).receivedNewColor // "red"

记录变化

如我早前所言，完整的状态转换非常有益于调试，而且我们可以 wither 来挂入钩子的方式捕捉到所有或部分变换过程：

func (p person) nextState() Person {
  fmt.Printf("nextState: %#+v\n", p)
  return p
}

func (p person) WithName(name string) Person {
  p.name = name
  return p.nextState() // 

<p>对于更加复杂的逻辑或个人偏好，你也可以采用 defer 的方式：</p>

<pre class="brush:plain;">
func (p person) WithFavoriteColors(favoriteColors []string) Person {
  defer func() {
    p.nextState()
  }()

  p.favoriteColors = favoriteColors
  return p
}

这样变换就可看到了：

nextState: main.person{name:"No Name", favoriteColors:[]string(nil)}
nextState: main.person{name:"Elliot", favoriteColors:[]string(nil)}
nextState: main.person{name:"Elliot", favoriteColors:[]string{"black", "blue"}}

你可以添加更多诸如此类的信息。例如，时间戳、栈追踪记录和其他自定义的上下文信息来使得调试更加容易。

历史及回滚

除了打印变化之外，我们还可以收集这些状态作为历史：

type Person interface {
  // ...
  AtVersion(version int) Person
}

type person struct {
  // ...
  history    []person
}

func (p *person) nextState() Person {
  p.history = append(p.history, *p)
  return *p
}

func (p person) AtVersion(version int) Person {
  return p.history[version]
}

func main() {
  me := NewPerson().
    WithName("Elliot").
    WithFavoriteColors([]string{"black", "blue"})

  // We discard the result, but it will be put into the history.
  updateFavoriteColors(me)

  fmt.Printf("%s\n", me.AtVersion(0).Name())
  fmt.Printf("%s\n", me.AtVersion(1).Name())
}

// No Name
// Elliot

这非常利于最后进行审查。记录所有日志打印的历史对处理后续异常的场景也是很有用的，如果不需要的话，让历史随实例消亡即可。

今天关于《浅谈用Go构建不可变的数据结构的方法》的内容介绍就到此结束，如果有什么疑问或者建议，可以在golang学习网公众号下多多回复交流；文中若有不正之处，也希望回复留言以告知！